1．蓝天并不蓝
“蓝蓝的天空白云飘，白云下面马儿跑”，相信大家对这种美丽的景色都有所感受。那么天空为什么是蓝色的?对于这种奇妙的物理现象，并不是所有人都能说出原因。事实上，蓝天并不蓝，只是是天空中的大气分子、水滴、其他微粒和阳光共同作用的结果。
蓝天
首先简单了解一些空气和太阳光的知识。蓝天，其实是地球的大气层，广义也指太空可被观测到的天体表面部分。大气层是包围着地球的空气，根据空气密度的不同分为5层，总共有2000-3000公里厚。但绝大部分空气都集中在从地面到15公里高以下的地方，越往高处空气越稀薄。大气层有多厚，蓝天就应该有多高。空气是在地球外面包裹着的一层“防弹衣”，保护着地球上生物不受紫外线的照射。而空气是由很多的微粒组成。其中99％是氮气和氧气，还有如二氧化碳等气体、小水滴和粉尘等漂浮微粒。空气的成分不是固定不变的，主要是随着环境、天气和其他的因素而变化。
天空为什么是蓝色的？除非有外界干扰，光都是以直线传播的。当光在空气中传播时，不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒。这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用。太阳光线射人大气层后，悬浮在大气中的微小粒子对太阳光散射作用，导致介质的不均匀性，使得光偏离原来传播方向而向侧方散射开来的现象，称为介质对光的散射。而组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，相当于“大波浪”，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，相当于“小波浪”，很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光和红光为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。在7种不同的光中，红光波长最长(频率最低)，紫光波长最短(频率最高)。我们肉眼所看到的是它们的混合结果。我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。在我们的肉眼里，晴朗的天空是蔚蓝色的，其实这并不是因为大气本身是蓝色的，也不是大气中含有蓝色的物质。
可见光谱
正确解释天空为什么是蓝色始于1859年。科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多，这就是“泰多尔效应”。几年之后，科学家瑞利发现散射强度与波长的4次方成反比。后来，更多科学家称这种现象为“瑞利散射”。
如果说短波长的光散射得更强，你一定会问为什么天空不是紫色的。其中一个原因就是在太阳光透过大气层时，空气分子对紫色光的吸收比较强，所以我们所观测到的太阳光中的紫色光较少，但并不是绝对没有，如在雨后彩虹中我们很容易观察到紫色的光。还有一个原因和我们的眼睛本身有关。在我们的眼睛中，有3种类型的接收器，分别称之为红、绿和蓝锥体，它们只对相应的颜色敏感。当它们受到外界的光刺激时，视觉系统会根据不同接受器受到刺激的强弱重建这些光的颜色，也就是我们所看到物体的颜色。事实上，红色锥体和绿色锥体对蓝色和紫色的刺激也有反映，红锥体和绿锥体同时接受到阳光的刺激，此时蓝锥体接收到蓝光的刺激较强，最后它们联合的结果是蓝色的，而不是紫色的。
知识卡片：
可见光波长（4*10-7m----7*10-7m）
光色
波长λ（nm)
代表波长
红（Red）
780～630
700
橙（Orange）
630～600
620
黄（Yellow）
600～570
580
绿（Green）
570～500
550
青（Cyan）
500～470
500
蓝（Blue）
470～420
470
紫（Violet）
420～380
420
2．雨后的彩虹
彩虹，简称虹，是气象中的一种光学现象。当太阳光照射到空气中接近圆形的水滴，光线造成光的色散及反射，由于阳光射入水滴时是同时以不同角度入射，在水滴内也是以不同的角度反射，当中以40-42度的反射最为强烈，在天空上形成拱形的七彩光谱环，从外至内分别为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，即我们所见到的彩虹。
彩虹七色
彩虹为何是七色的？因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。光穿越水滴时弯曲的程度，视光的波长（即颜色）而定——红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的是紫色光，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同，呈现出来的是七色光的排列。
彩虹的明显程度，取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮，小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显。一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。
其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午，雨后刚转天晴时出现。这时空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便会较容易被看到。
彩虹在民间俗称“杠吃水”“龙吸水”，以前的人们认为彩虹会吸干当地的水，所以人们在彩虹来临的时候敲击锅、碗等来“吓走”彩虹。这也是“彩虹”取名的由来：“彩”是“多种颜色”的意思；“虹”字中的“工”表示“人工”，引申指“规整”；“虫”指彩虹“龙”；“虫”与“工”结合起来表示“龙吸水”。
彩虹有不少特别形式。很多时候会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。当阳光经过水滴时，它会被折射、反射后再折射出来。在水滴内经过一次反射的光缐，便形成我们常见的彩虹（主虹）。若光线在水滴内进行了两次反射，便会产生第二道彩虹。
双彩虹
霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较弱。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。
曾经有人见过峨眉山上整圆形的彩虹，迷信地认为是佛光。其实这是形成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次，最后射向我们的眼睛。
峨眉山上圆形的彩虹
晚虹是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白色的。
知识卡片：
三棱镜
三棱镜是由截面呈三角形的透明材料作成光学仪器，光密媒质的棱镜放在光疏媒质中（通常在空气中），入射到棱镜侧面的光线经棱镜折射后向棱镜底面偏折。光从棱镜的一个侧面射入，从另一个侧面射出，出射光线将向第三个侧面偏折，偏折角的大小与棱镜的折射率，棱镜的顶角和入射角有关。
由于白光是由各种单色光组成的复色光；同一种介质对不同色光的折射率不同；不同色光在同一介质中传播的速度不同。所以，因为同一种介质对各种单色光的折射率不同，所以通过三棱镜时，各单色光的偏折角不同。因此，白色光通过三棱镜会将各单色光分开，形成红.橙.黄.绿.蓝.靛.紫七种色光即色散。
1666年，英国物理学家牛顿做了一次非常著名的实验，他用三棱镜将太阳白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色色带。据牛顿推论：太阳的白光是由七色光混合而成，白光通过三棱镜的分解叫做色散，彩虹就是许多小水滴为太阳白光的色散
3．云霞的奥秘
云霞千变万化，异常神秘，那我们一探其奥秘吧。
管状云：管状云还有一个优雅的名字叫“晨暮之光”（Morning Glory）。每年秋天，澳大利亚昆士兰州伯克顿镇上空都会出现这些长长的管状云。
管状云
“晨暮之光”现象是昆士兰州约克角半岛附近大海和陆地所形成的独特地理位置而产生的一种特殊的气候构造。约克角半岛长500英里，岛尖伸入卡奔塔利亚(Carpentaria)湾(西)和珊瑚海(东)之间，整个半岛的宽度从350英里到60英里到不等。每到秋天，来自东部的信风在白天将海风吹过半岛，这股风向在深夜又会遇到来自西海岸的海风，两股海风碰撞之后会产生波状扰动，然后转向西南方运动进入内陆，这是“晨暮之光”形成的很重要的原因。如果你看着这些云彩，会感觉它们在向后滚动。实际上是云彩的前缘在不断形成，而后缘则在不断的消失，因此给人以一种滚动的感觉。
圆球云：这种云彩的外形看起来很奇怪，如同一个个袋子挂在天空一样。因此被称为圆球云或乳房云。
圆球云
圆球云实际是一种颠倒的气流，在下降气流当中温度较冷的空气与上升气流中温度较暖的空气相遇，就会形成一个个像袋子形状的云。
圆球云之所以如此平坦均匀是因为其下方的热结构非常独特。在每一朵云中，气温的下降和云朵的重量增加是成正比的，也就是所谓的“气温直减率”，最终两者将达到一个稳定的状态。换句话说，如果你将一个温度较温暖的气泡放在云的某个地方，它根本不会上升或者下降，因为云彩中没有热量流动。这种独特的热结构通常是雷暴天气所特有的。
所以民间有如此经验：只要有雷暴天气发生，一定会产生圆球云；但是有圆球云的时候不一定会有雷暴天气。
荚状云：形状看起来很像UFO，它是由重力波产生的。这通过汽车减震器的原理来描述什么是重力波。当你开着高级洫以很快的速度通过一段崎岖不平的道路时，你会感觉到自己也在上下颠簸。你往下颠是受地球重力影响的原因，而你向上颠是因为减震器的弹簧将你往上推的缘故。
荚状云
当气流遇到其他障碍时也会形成荚状云，比如高度很高的雷雨云，因为它们也通常在山丘的顺风坡形成，看起来就很像一叠叠的盘子。
碎浪花云：这种碎浪花云是根据开尔文的赫姆霍兹原理形成的卷云。卷云是高云的一种，也是对流层中最高的云，平均高度超过1800米，是很薄很纤细的云彩，能反射和诱捕热量。所以清晨当太阳还没有升到地平线上或傍晚太阳已下山后，光线都会照到这种孤悬高空而无云影的卷云上，经过散射后，显现出漂亮的蚕丝般的光泽。
根据开尔文的赫姆霍兹原理，当两层密度不同的空气或者液体以不同的速度相遇并通过时，就会在边缘形成一种类似碎浪花的形状。
碎浪花云
实际整个过程就像海边的碎波一样，当上层海水的移动速度超过底层海水时，就会形成一种推挤和堆积。
帽状云：火山爆发时的冲击波，造成火山灰和水蒸气周围的大气被挖空，形成一个空洞，火山灰快速上升，把空气迅速拉抬并冷却，造成水蒸气凝结，最终形成了帽状云。
帽状云
在雷暴天气当中，由于空气快速上升，并且不断同大气层空气进行混合，当气流达到形成云层所需温度后，就会形成帽状云。因此，在雷暴天气当中，帽状云现象是非常常见的。
夜光云：是由地球大气层与太空交接处的冰晶组成。它们发光是因为其高度较高，
夜光云
夜光云形成温度在大约零下230华氏度，这为由下而上吹起或从太空落下的灰尘提供了凝缩冻结的停留地点。由于目前北半球正处于夏季，大气在升温上升，但是在大气外部的边缘处，由于大气已经远远地延伸到太空，实际它们正在逐步冷却。
这些云虽然很漂亮，然而，它们却是全球变暖而引起的全球性气候变化的征兆。目前比较流行的理论和最合理的解释是，二氧化碳在地表五十英里之上累积会导致气温降低。
滚轴云：滚轴云一般在风暴潮形成之前，在大气底端形成。原因在于风暴潮中的温暖气流向上升时，也会推动周围的冷空气向上，二者混合后，风暴潮周围气流的温度会下降。当向上热空气及向下冷空气产生对流后，就会在风暴来临之前形成波浪状的云状结构。当暴风雨逼近时，寒冷的向下气流形成的云层会蒸发，这时整个云层就会扩展开来，最终形成了滚轴云。
滚轴云
知识卡片：
云霞
云霞是指漂浮在天空中的云彩，是由许多细小的水滴或冰晶组成的，有时也包含一些较大的雨滴及冰、雪粒，云的底部不接触地面，并有一定厚度。
云霞的形成主要是由水汽凝结造成的。水汽从蒸发表面进入低层大气后，这里的温度高，所容纳的水汽较多，如果这些湿热的空气被抬升，温度就会逐渐降低，到了一定高度，空气中的水汽就会达到饱和。如果空气继续被抬升，就会有多余的水汽析出。如果那里的温度高于0°C，则多余的水汽就凝结成小水滴；如果温度低于0°C，则多余的水汽就凝化为小冰晶。在这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时，就是云霞了。
4．诡秘的海市蜃楼
在平静无风的海面航行或在海边了望，往往会看到空中映现出远方船舶、岛屿或城廓楼台的影像；在沙漠旅行的人有时也会突然发现，在遥远的沙漠里有一片湖水，湖畔树影摇曳，令人向往。可是当大风一起，这些景象突然消逝了。原来这是一种幻景，通称海市蜃楼，或简称蜃景。
海市蜃楼
海市蜃楼是一种因光的折射而形成的自然现象，是地球上物体反射的光在延直线方向密度不同的气层中，经过折射形成的虚像，就像投影所呈现的影像。平静的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等地方，偶尔会在空中或“地下”出现高大楼台、城廓、树木等幻景。我国山东蓬莱海面上常出现这种幻景，古人归因于蛤蜊之属的蜃，吐气而成楼台城廓，因而得名。
什么会产生这种现象呢？要解答这个问题，得先从光的折射谈起。
